藉由多參數監測器，快速協商穿戴式裝置的光學訊號路徑

穿戴式健康與健身監測器利用多種技術，收集多樣化的動作、整體健康及睡眠資訊。對設計人員來說，問題在於如何滿足最終使用者的需求，在脈搏血氧儀 (SpO2)、光體積變化描記圖 (PPG)、心電圖 (ECG)、血壓和呼吸率測量應用的穿戴式監測器中，增添更多功能。每增加一個功能，設計人員在整合、電源管理、效能、重量、開發時間及成本方面，都會面臨挑戰。

例如，SpO₂ 解決方案通常需要使用複雜的電子元件，其中含有多個積體電路 (IC)，需利用發光二極體 (LED)、光感測器、轉阻放大器 (TIA)、類比數位轉換器 (ADC) 及相關的演算法，在主體中建立光學路徑。ECG 需要靈敏的低雜訊類比電路，以及前端儀表放大器和 ADC。此外，這些離散系統也使用額外的硬體，來減少環境光的影響及管理電磁干擾 (EMI)。雖然這些解決方案很有用，但需要大量的電路板空間和客製化韌體，因此會增加成本並延長開發時間。設計人員需要更完整、整合度更高的解決方案，以解決諸多此類設計問題。

本文將介紹多種穿戴式裝置實物，以及一款多參數監測器，其中含有 LED 驅動器、TIA、帶通濾波器、積分器及 ADC。本文會說明如何利用多參數監測器 (Analog Devices 的 ADPD4101) 及相關的開發板，來簡化並加速設計流程。

類比前端概覽

生命徵象監測已跨越醫療實務的藩籬，進入日常生活。起初，健康生命徵象監測的執行需在醫院和診所中受到嚴格的醫療監督。在微電子製程和設計的進展下，穿戴式監測器的成本降低，進而促成遠端醫療、運動和健身監測。技術延伸到穿戴式裝置後，健康相關的品質標準也持續推出，以滿足使用者不斷要求精進的期望。

生命徵象的監測涉及一系列生理參數的測量，可藉此指出個人健康狀況。例如，SpO₂ 的測量可偵測血氧百分比和心率。適合 SpO₂ 穿戴式裝置的感測器是 LED 和光電二極體。

ECG 和生物阻抗測量可判定心率、呼吸、血壓、膚電傳導和身體組成。這些生命徵象的解決方案必須小巧、節能且可靠。要監測這些重要的徵象，需要進行光學、生物電位和阻抗測量。

生命徵象光學訊號路徑

SpO₂ 會測量血液中的氧氣飽和百分比，以及其他生命徵象。血氧測量採用 SpO₂ 技術，可評估 LED 光線在不同光學頻率下穿透肉體的狀況。SpO₂ 測試能辨別氧合作用不良的情況，指出已發生會影響呼吸系統的疾病或失調。SpO₂ 測量資料也能用來估算真正的動脈 O₂ 飽和度，以及血氧濃度 (S_aO₂)。

進行 SpO₂ 測量時，光學系統需要使用一整套多種 LED 和光電偵測器。光學測量的典型訊號鏈具有 LED，可產生多種波長，以便全面辨識相對血氧濃度。一系列矽光電二極體可將接收到的 LED 光學訊號轉變成光電流。對光電二極體的電流進行放大與 ADC 轉換，即可達到所需的解析度和準確度 (圖 1)。

圖 1：SpO₂ 測試的訊號鏈從穿透病患肉體的 LED 光訊號開始。光電二極體會擷取穿透肉體的訊號，將 LED 光轉換成 pA 電流訊號。TIA 會將該電流轉換成電壓並傳送到 ADC。(圖片來源：Analog Devices，經 Bonnie Baker 修改)

SpO₂ 測試採用 940 nm 波長的紅外線 (IR) LED，以及 660 nm 波長的紅光 LED。在 940 nm IR 波長下，氧合血紅素可吸收更多的紅外線。去氧血紅素則吸收較多 660 nm 波長紅光。光電二極體會獨立接收這兩個 LED 發出但未被接收的光。然而，這些 LED 並非同時發射光線。LED 具有脈衝序列，確保交越誤差可忽略不計 (圖 2)。

圖 2：SpO₂ 設備中 660 nm 紅光 LED (Pulse_RED) 和 IR LED (Pulse_IR) 的時序，能確保每個 LED 光訊號不會發生光擴散。(圖片來源：Bonnie Baker)

接收到的 LED 訊號會產生 AC 和 DC 分量。AC 分量代表動脈血的脈動本質。DC 分量屬於常數，代表由組織、靜脈血和非悸動動脈血造成的光吸收。此分量是動脈的非時變部分，發生於心臟的靜態階段。方程式 1 顯示 SpO₂ 百分比的計算：

方程式 1

離散的 SpO₂ 測量電路包含六個關鍵系統：LED 驅動器放大器、TIA、類比增益級、ADC、用於控制 LED 驅動器放大器的數位類比轉換器 (DAC)，以及 ADC 和 DAC 的類比參考電壓。

LED 驅動器放大器需要在兩個通道間循環，確保紅光和紅外線不會相互擴散。TIA 會將光電二極體的電流轉換成電壓輸出。增益放大器可增加訊號強度，為 TIA 電壓輸出的 ADC 輸入範圍做準備。在增益放大器之後，ADC 會將訊號數位化，再傳送到微控制器或 DSP。最後，整條訊號鏈需要類比參考電壓。

生物電位與生物阻抗測量

生物電位是身體電化學活動而產生的電氣訊號。例如，生物電位測量就包括心電圖 (ECG)。極低的心跳訊號振幅為 0.5 mV 至 4 mV，頻率範圍介於 0.05 Hz 至最高 40 Hz。

在醫院或醫師診間，醫師會將電極接到皮膚上來監測心臟活動。濕式電極能確保良好的身體接觸，通常是銀／氯化銀 (Ag/AgCl) 貼片。穿戴式應用的使用者，會發現這些電極令人非常不舒服，也容易乾掉或開始刺激皮膚。

替代方式是穿戴式 ECG 電路，此類電路會在感測電容上蓄積電荷。由於透過被動電阻電容 (RC) 網路計算得出的時間常數經過最佳化，充電過程中皮膚到電極的接觸阻抗不會發生變化。圖 3 中，ECG 訊號耦合到 RC 網路和 TIA1。此 ECG 電路對於皮膚到電極的接觸阻抗變化有固有的耐受能力。

圖 3：ECG+ 和 ECG- 貼片與病患進行乾式連接。這些貼片會將皮膚電荷的變化傳送到 RC 網路。BIO-Z1 和 BIO-Z2 是透過肉體貼片電阻 (R_BIO-Z) 來連接，並使用 TIA2 來測量皮膚電阻的變化，其中皮膚電阻與 R_BIO-Z 並聯。(圖片來源：Analog Devices，經 Bonnie Baker 修改)

生物電阻是另一種提供實用身體資訊的測量法。阻抗測量可提供有關身體組成和水合程度的膚電活動資訊。圖 3 的第二個感測電路，利用與皮膚電阻並聯的貼片電阻 R_BIO-Z，來測量皮膚電阻。此測試不需要 LED 訊號。皮膚電阻值幾乎是無限，除非病患在貼片底下產生濕氣或汗水。身體若流汗，會降低並聯皮膚電阻，導致更多電流進入 TIA2 的反相輸入。

穿戴式健康與健身監測器在生理感測方面面臨獨特的難題組合。每個額外的需求都會增加電路的複雜度和電路板面積。隨著健康與健身監測器的款式日益增多，對高度整合、複雜且小型 IC 的需求也跟著增加。

整合式多型態感測器

ADPD4100 和 ADPD4101 IC 是完整的多型態感測器前端，能激發多達 8 個 LED，並使用高達 8 個不同的電流輸入來測量回傳訊號。共有 12 個時槽，每個取樣期間可進行 12 次獨立的測量。類比輸入能以單端驅動，或是差動對驅動。八個類比輸入經多工處理至單一通道或兩個獨立通道，能讓兩個感測器同步取樣。這兩個產品的唯一差異是 ADPD4100 具有 SPI 介面，ADPD4101 具有 I²C 介面 (圖 4)。

圖 4：ADPD4100 和 ADPD4101 的功能方塊圖指出 LED 驅動輸出通道和類比輸入通道。輸入通道會接收光電二極體或電容電流訊號，以透過 ADC 進行轉換。(圖片來源：Analog Devices)

圖 4 中，數位處理時序控制有 12 個時槽，每個取樣期間可進行 12 次獨立的測量。ADPD4100/ADPD4101 的靈活架構搭配外部 LED 和光電二極體，能收集生物電位和生物阻抗資料，藉此協助設計人員滿足其穿戴式測量需求。ADPD4100 是具有數位 SPI 介面的完整類比模組。ADPD4101 的數位介面是 I²C。

ADPD4100/ADPD4101 類比訊號路徑包含 8 個電流輸入，能以單端或差動對的方式配置到兩個獨立通道之一 (圖 5)。

圖 5：類比訊號路徑方塊圖有 8 個類比輸入端子和 2 個 TIA。帶通濾波器 (BPF) 位於積分器前方，能協助提高 ADC 的解析度。(圖片來源：Analog Devices)

圖 5 中，對兩個感測器同步取樣的選項在使用兩個 TIA 通道時就可使用。每個通道都能存取具有可編程增益 (R_F) 的 TIA；具有 100 kHz 高通角和 390 kHz 低通截止頻率的帶通濾波器 (BPF)；以及每樣本能積分 ±7.5 pC 的積分器。每個通道經過分時多工至 14 位元 ADC 中。圖 5 中，R_INT 是積分器輸入的串聯電阻。

ADPD4100/ADPD4101 可解決設計人員在處理穿戴式裝置時面臨的許多挑戰。此生物醫學前端可透過高效能、雙通道感測器輸入級、刺激通道、數位處理引擎和時序控制，滿足所有要求。這一代多型態感測器前端已改善訊噪比規格 (100 dB)，並降低整個系統的功耗 (30 µW)。

ADPD4101 評估板

對考慮使用 ADPD4100/ADPD4101 測光前端的設計人員來說，EVAL-ADPD4100Z-PPG 評估板 (圖 6) 有其價值。此板件針對生命徵象監測應用 (特別是腕帶型 PPG)，實作了簡易的離散光學設計。

圖 6：EVAL-ADPD4100Z-PPG 板有助於評估腕帶型 PPG 設計用的 ADPD4100/ADPD4101。光學元件 (右) 包含三個綠光 LED、一個紅外線 LED 和一個紅光 LED，並有一個光電二極體。(圖片來源：Analog Devices)

EVAL-ADPD4100Z-PPG 有三個綠光 LED、一個紅外線 LED 和一個紅光 LED，全都是獨立驅動。此外，還有單一板載光電二極體，因此這款評估板可立即運作。

ADPD4101 公版設計

要將感測器連接到 ADPD4101，EVAL-CN0503-ARDZ 公版設計是實用的工具。此公版設計並非專門與穿戴式監測器通訊，但有助於瞭解 CN0503 使用指南如何說明 EVAL-CN0503-ARDZ 使用 ADPD4101，來偵測濁度、酸鹼值、化學組成和其他物理屬性。EVAL-CN0503-ARDZ 公版設計是可重新配置的多參數光學液體平台，能執行比色測定和螢光分析測量 (圖 7)。

圖 7：EVAL-CN0503-ARDZ 光學液體測量平台的簡化線路圖。(圖片來源：Analog Devices)

EVAL-CN0503-ARDZ 與 EVAL-ADICUP3029 搭配使用，具有四個可配置的光學路徑 (圖 8)。兩個外側路徑還包含垂直光電二極體和濾波器插座，可用於螢光與散射測量。每個路徑都有激發 LED、聚光透鏡、光束分離器、參考光電二極體，以及傳送光電二極體。

圖 8：上方是完全組裝的 EVAL-CN503-ARDZ，下方是 EVAL-AIDCUP3029。(圖片來源：Analog Devices)

此光學結構搭配 CN0503-Device Driver 和 Wavetool Evaluation Software 使用，可提供全方位光學液體分析方法。

結論

設計人員經常面臨要在穿戴式監測器上增添更多功能的需求。這會進一步讓設計過程更加複雜、更緩慢，不但會增加元件成本，還會提高功耗。因此需要整合度更高的健康監測方法。

如本文所示，Analog Devices 的 ADPD4101 結合了 LED、光偵測器、ADC 訊號路徑和 12 時槽型訊號路徑，可針對穿戴式醫療和休閒裝置打造出高度精密且耐用的感測系統。ADPD4101 具有多重 LED 與類比通道，及優異的時序演算法，能為穿戴式 SpO₂、心臟 ECG 和皮膚電阻測量提供理想的解決方案。